1.2: Classificação da Matéria

Substâncias e Misturas puras

Uma substância química pura é qualquer matéria que tenha uma composição química fixa e propriedades características. O oxigénio, por exemplo, é uma substância química pura que é um gás incolor e inodoro a 25°C. Muito poucas amostras de matéria consistem em substâncias puras; em vez disso, a maioria são misturas, que são combinações de duas ou mais substâncias puras em proporções variáveis, nas quais as substâncias individuais mantêm a sua identidade. Ar, água da torneira, leite, queijo azul, pão, e sujidade são todas misturas. Se todas as porções de um material estiverem no mesmo estado, não tiverem limites visíveis, e forem uniformes em toda a sua totalidade, então o material é homogéneo. Exemplos de misturas homogéneas são o ar que respiramos e a água da torneira que bebemos. As misturas homogéneas são também chamadas soluções. Assim, o ar é uma solução de azoto, oxigénio, vapor de água, dióxido de carbono, e vários outros gases; a água da torneira é uma solução de pequenas quantidades de várias substâncias na água. Contudo, as composições específicas de ambas as soluções não são fixas, mas dependem tanto da fonte como da localização; por exemplo, a composição da água da torneira em Boise, Idaho, não é a mesma que a composição da água da torneira em Buffalo, Nova Iorque. Embora a maioria das soluções que encontramos sejam líquidas, as soluções também podem ser sólidas. A substância cinzenta ainda utilizada por alguns dentistas para preencher cavidades dentárias é uma solução sólida complexa que contém 50% de mercúrio e 50% de um pó que contém sobretudo prata, estanho e cobre, com pequenas quantidades de zinco e mercúrio. As soluções sólidas de dois ou mais metais são normalmente chamadas ligas.

Se a composição de um material não for completamente uniforme, então é heterogénea (por exemplo, massa de bolacha de chocolate, queijo azul, e sujidade). As misturas que parecem ser homogéneas são frequentemente consideradas heterogéneas após exame microscópico. O leite, por exemplo, parece ser homogéneo, mas quando examinado ao microscópio, consiste claramente em pequenos glóbulos de gordura e proteínas dispersos em água. Os componentes das misturas heterogéneas podem normalmente ser separados por meios simples. As misturas sólido-líquidas, como areia na água ou folhas de chá no chá, são prontamente separadas por filtração, que consiste em passar a mistura através de uma barreira, como um coador, com buracos ou poros que são mais pequenos do que as partículas sólidas. Em princípio, as misturas de dois ou mais sólidos, tais como açúcar e sal, podem ser separadas por inspecção microscópica e triagem. No entanto, são normalmente necessárias operações mais complexas, tais como a separação de pepitas de ouro do cascalho do rio por panela. Primeiro, o material sólido é filtrado da água do rio; depois, os sólidos são separados por inspecção. Se o ouro estiver incrustado na rocha, pode ter de ser isolado usando métodos químicos.

Misturas homogéneas (soluções) podem ser separadas nas suas substâncias componentes por processos físicos que dependem de diferenças em algumas propriedades físicas, tais como diferenças nos seus pontos de ebulição. Dois destes métodos de separação são a destilação e a cristalização. A destilação faz uso de diferenças na volatilidade, uma medida da facilidade com que uma substância é convertida num gás a uma dada temperatura. Um simples aparelho de destilação para separar uma mistura de substâncias, pelo menos uma das quais é um líquido. O componente mais volátil ferve primeiro e é condensado de volta a um líquido no condensador arrefecido por água, a partir do qual flui para o recipiente receptor. Se uma solução de sal e água for destilada, por exemplo, o componente mais volátil, água pura, acumula-se no recipiente de recepção, enquanto o sal permanece no recipiente de destilação.

Misturas de dois ou mais líquidos com diferentes pontos de ebulição podem ser separadas com um aparelho de destilação mais complexo. Um exemplo é a refinação do petróleo bruto numa gama de produtos úteis: combustível de aviação, gasolina, querosene, gasóleo, e óleo lubrificante (na ordem aproximada de volatilidade decrescente). Outro exemplo é a destilação de bebidas alcoólicas, tais como brandy ou whisky. (Este procedimento relativamente simples causou mais do que algumas dores de cabeça às autoridades federais na década de 1920 durante a era da Proibição, quando alambiques ilegais proliferaram em regiões remotas dos Estados Unidos!)

A cristalização separa misturas com base em diferenças de solubilidade, uma medida da quantidade de substância sólida que permanece dissolvida numa dada quantidade de um líquido especificado. A maioria das substâncias são mais solúveis a temperaturas mais elevadas, pelo que uma mistura de duas ou mais substâncias pode ser dissolvida a uma temperatura elevada e depois deixada arrefecer lentamente. Em alternativa, o líquido, chamado solvente, pode ser autorizado a evaporar. Em qualquer dos casos, a menos solúvel das substâncias dissolvidas, a menos susceptível de permanecer em solução, forma geralmente cristais primeiro, e estes cristais podem ser removidos da solução restante por filtração.

A maioria das misturas pode ser separada em substâncias puras, que podem ser elementos ou compostos. Um elemento, como o cinzento, sódio metálico, é uma substância que não pode ser decomposta em substâncias mais simples por alterações químicas; um composto, como o cloreto de sódio branco cristalino, contém dois ou mais elementos e tem propriedades químicas e físicas que são normalmente diferentes das dos elementos de que é composto. Com apenas algumas excepções, um determinado composto tem a mesma composição elementar (os mesmos elementos nas mesmas proporções) independentemente da sua fonte ou história. A composição química de uma substância é alterada num processo chamado mudança química. A conversão de dois ou mais elementos, tais como sódio e cloro, num composto químico, cloreto de sódio, é um exemplo de uma alteração química, muitas vezes denominada reacção química. Actualmente, são conhecidos cerca de 118 elementos, mas milhões de compostos químicos foram preparados a partir destes 118 elementos. Os elementos conhecidos estão listados na tabela periódica.

Em geral, um processo químico inverso decompõe os compostos nos seus elementos. Por exemplo, a água (um composto) pode ser decomposta em hidrogénio e oxigénio (ambos os elementos) através de um processo chamado electrólise. Na electrólise, a electricidade fornece a energia necessária para separar um composto nos seus elementos constituintes (Figura \PageIndex{5}}). Uma técnica semelhante é utilizada em grande escala para obter alumínio puro, um elemento, dos seus minérios, que são misturas de compostos. Como é necessária muita energia para a electrólise, o custo da electricidade é de longe o maior gasto incorrido no fabrico de alumínio puro. Assim, a reciclagem do alumínio é simultaneamente rentável e ecológica.

A organização geral da matéria e os métodos utilizados para separar misturas estão resumidos na Figura \PageIndex{6}}.